BR112020022525A2 - sistema para produzir imagens a partir de radiação incidente e método de imagiologia de alta velocidade - Google Patents

Abstract

  Este método e sistema fornecem um sistema de imageamento para produzir imagens estáticas e dinâmicas a partir de radiação eletromagnética, como raios-x e elétrons de alta energia. O detector inclui uma camada de eletrodo superior, uma camada fotocondutora e uma camada de eletrodo inferior. Dentro das camadas inferiores do eletrodo há um conjunto de circuitos de pixels para detectar a radiação. A camada fotocondutora tem uma espessura pelo menos três vezes maior do que a distância de um dos circuitos de pixel individuais.

Description

SISTEMA PARA PRODUZIR IMAGENS A PARTIR DE RADIAÇÃO INCIDENTE

E MÉTODO DE IMAGIOLOGIA DE ALTA VELOCIDADE Campo Técnico

[001] A divulgação é geralmente direcionada à detecção de imagem e, mais especificamente, é direcionada a um método e aparelho para imagiologia de radiação de alta resolução e alta velocidade. Antecedentes da Divulgação

[002] Dispositivos de imagiologia muitas vezes usam semicondutores ou camadas de semicondutores amorfos (feitos de materiais tal como silício amorfo, semicondutores orgânicos ou selênio amorfo) integrados com arranjos de leitura eletrônica pixelada para tirar a imagem de objetos de imagem usando radiação, tal como raios-X, raios gama, elétrons de alta energia e partículas beta. No entanto, semicondutores amorfos são especialmente conhecidos por sofrerem de efeitos de memória, incluindo atraso de imagem (que se manifesta como persistência da imagem adquirida após a aquisição ser concluída) devido ao aprisionamento de carga dentro do volume do semicondutor, bem como nas interfaces entre as camadas. A liberação errática subsequente dessa carga aprisionada aumenta ainda mais o atraso de imagem.

[003] Esse atraso tipicamente se traduz em leituras de velocidade mais lentas que limitam ou reduzem a velocidade de operação do detector de grande área. Isso é problemático, pois os detectores de raios-X de tomossíntese de mamografia usualmente precisam adquirir dados maiores do que um único quadro por segundo. Além disso, a carga aprisionada perto de um pixel de captação específico pode resultar com que a imagem seja reconhecida em píxeis adjacentes em múltiplos quadros, resultando em uma degradação da resolução espacial.

[004] A resolução espacial é frequentemente medida usando a métrica da função de transferência de modulação (MTF) e a degradação de MTF serve para limitar fundamentalmente os detectores de raios-X de alta resolução que são preferidos por sua capacidade de resolver pequenos tamanhos de características. Esse aprisionamento de carga pode afetar muitas aplicações de imagiologia diferentes.

[005] As aplicações emergentes, tal como a tomossíntese de mamografia ou a tomografia computadorizada (CT) de mamografia, tipicamente requerem detectores de raios X de alta resolução (isto é, MTF alta) com atraso mínimo.

[006] Assim, é fornecido um novo método e aparelho para uma imagiologia de radiação de alta resolução e alta velocidade. Sumário da Divulgação

[007] Em uma modalidade, a divulgação é direcionada a um detector de radiação de alta resolução que é capaz de operar em altas taxas de quadros com baixo atraso, especialmente para uso em aplicações de imagiologia emergentes, tais como, mas não limitante a tomossíntese de mamografia ou tomografia computadorizada (CT) de mamografia.

[008] Em um método da divulgação, é fornecido um método de detecção de radiação de alta resolução que fornece baixo atraso em altas taxas de quadros.

[009] Em um aspecto da divulgação, é fornecido um sistema para produzir imagens a partir de radiação incidente incluindo uma camada de eletrodo de topo; uma camada fotocondutora; um conjunto de eletrodos de fundo; uma camada de substrato; e um conjunto de circuitos de pixel integrados dentro do conjunto de eletrodos de fundo; em que uma espessura da camada fotocondutora é pelo menos três vezes mais espessa do que um espaçamento de um circuito de pixel individual.

[010] Em outro aspecto, o espaçamento é inferior ou igual a cerca de 25 mícrons. Em um aspecto adicional, cada circuito de pixel no conjunto de circuitos de pixel inclui um capacitor de armazenamento; e um circuito de leitura de pixel. Em ainda outro aspecto, o circuito de leitura de pixel é feito de tecnologia de semicondutor de polissilício, CMOS, óxido de metal, ou orgânica. Em um aspecto adicional, a camada fotocondutora é feita de selênio amorfo, perovskitas, semicondutor orgânico, HgI2, PbO, PbI ou TlBr.

[011] Em outro aspecto, a camada de eletrodo de topo é uma camada de alumínio, ouro, cromo ou prata. Em outro aspecto, cada um do conjunto de eletrodos de fundo é um eletrodo de fundo de alumínio.

[012] Em outro aspecto da divulgação, é fornecido um método de imagiologia de alta velocidade incluindo captação, através de um detector que tem um conjunto de circuitos de pixel com um tamanho de espaçamento inferior ou igual a 25 mícrons e uma camada fotocondutora com uma espessura pelo menos três vezes maior do que o tamanho de espaçamento, um conjunto de sinais de radiação recebidos; e tradução dos sinais de radiação recebidos em valores correspondentes para cada um dos conjuntos de circuitos de pixel.

[013] Em outro aspecto, o método adicional inclui binning dos valores correspondentes de agrupamentos predeterminados de circuitos de pixel. Em outro aspecto, o método adicionalmente inclui transmitir os valores que sofreram binning para um processador. Ainda em outro aspecto adicional, o método adicionalmente inclui transmitir os valores correspondentes para um processador. Em ainda outro método, a camada fotocondutora tem uma espessura de pelo menos cinco vezes o espaçamento do pixel.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[014] As modalidades da divulgação serão descritas agora, apenas a título de exemplo, com referência às figuras anexas, em que:

[015] Figura 1a ilustra um diagrama esquemático de um sistema para imagiologia radiográfica;

[016] A Figura 1b é um diagrama esquemático de um sistema detector de radiografia;

[017] A Figura 2 é um diagrama esquemático de um arranjo de píxeis para uso no sistema detector de Figura 1b;

[018] A Figura 3a é um gráfico que mostra MTF vs Frequência Espacial;

[019] A Figura 3b é um gráfico que mostra DQE vs Frequência Espacial;

[020] A Figura 4 é um fluxograma que descreve um método de detecção de imagem de radiação de alta velocidade; e

[021] A Figura 5 é um diagrama esquemático de um conjunto de pequenos píxeis. Descrição Detalhada da Divulgação

[022] A divulgação é direcionada a um método e sistema para detecção e/ou imagiologia de alta radiação e alta velocidade. O sistema inclui uma camada fotossensível ensanduichada entre um par de camadas de eletrodo, que em uma modalidade pode ser vista como uma camada de eletrodo de topo e uma camada de eletrodo de fundo. O sistema inclui adicionalmente uma camada de substrato. A camada de eletrodo de fundo inclui ainda um conjunto de circuitos de pixel, cada circuito de pixel tendo um espaçamento, p. Em uma modalidade preferida, a espessura da camada fotossensível é pelo menos três, mas de preferência cinco vezes maior do que o espaçamento, p, do circuito de pixel.

[023] Com novas aplicações emergentes, tal como tomossíntese de mamografia ou tomografia computadorizada (CT) de mamografia, a divulgação atual pode fornecer benefícios sobre os sistemas atuais. Na mamografia, é vantajoso adquirir pequenos tamanhos de características para não apenas detectar a presença de microcalcificações, mas também examinar seu formato e estrutura que podem atuar como um biomarcador para o câncer. Para aplicações de CT e tomossíntese, ambas requerem a aquisição de múltiplos quadros em um curto espaço de tempo, para minimizar ou reduzir a exposição excessiva à radiação para o paciente e também o desconforto associado à compressão da mama (no caso de tomossíntese). O sistema e o método da divulgação podem fornecer essas vantagens.

[024] Voltando à Figura 1a, um diagrama esquemático de um ambiente de imagiologia radiográfica ou sistema é mostrado. O sistema 100 inclui uma fonte de radiação de raios-X 102 que gera radiação de raios-X, na forma de um conjunto de feixes de raios-X 104, que é transmitido a um objeto de interesse 106, tal como, na figura atual, a mão de um paciente, para geração de imagiologia por um sistema detector por radiografia 108. Na presente divulgação, o sistema de detector por radiografia 108 inclui, de preferência, um detector de painel plano, de grande área, com base em tecnologias de matriz ativa para alcançar ou produzir uma imagem do objeto 106. Em geral, o objeto 106 a ser visualizado é posicionado entre a fonte de radiação de raios-X 102 e o sistema detector por radiografia 108. Os raios-X, que passam através do objeto 106, interagem com o sistema detector por radiografia 108.

[025] Na imagiologia direta, os raios-X geram carga eletrônica dentro do sistema detector por radiografia 108 de modo que não haja necessidade de um cintilador 110. Na imagiologia indireta, os raios-X geram fótons de luz à medida que eles passam através de uma tela de fósforo ou cintilador 110 dentro do sistema detector por radiografia 108. Diferentes materiais são contemplados para o cintilador incluindo, mas não limitados a, iodeto de césio (Csl), oxissulfeto de gadolínio (GOS) ou óxido de tungstênio de cálcio (CaWO4). Esses fótons de luz gerados indiretamente, então, geram ainda mais carga eletrônica dentro do sistema detector por radiografia 108.

[026] A imagem 115 que é produzida pelo sistema detector por radiografia 108 pode, então, ser vista em um monitor 117 de um computador 112 ou sistema de computação. Para alguns sistemas detectores de radiografia 108, o hardware de sincronização 114 pode ser necessário para obter o tempo correto entre a fonte de raios-X 102 e o sistema detector de radiografia 108 que está tirando a amostra o conjunto impingente de feixes de raios-X 104.

[027] A Figura 1b é um diagrama esquemático de componentes de uma modalidade de um sistema detector de radiografia. Na modalidade atual, o sistema detector por radiografia 108 inclui um arranjo de píxeis 120 de matriz ativa tendo uma matriz bidimensional de elementos de pixel onde cargas eletrônicas geradas, direta ou indiretamente, por raios-X incidentes são capturadas e armazenadas. Para acessar a carga armazenada em cada pixel, as linhas superficiais 122 são acionadas, de preferência sequencialmente, por um controle de comutação de fila ou controlador 124, fazendo com que todos os píxeis em uma fila do arranjo de píxeis 120 de matriz ativa enviem sua carga armazenada para linhas de dados 126 que são acopladas a amplificadores de carga 128 no final de cada coluna de arranjo de píxeis 120 da matriz ativa. Os amplificadores de carga 128 também podem executar uma função de multiplexação além da função de amplificação. Os amplificadores de carga 128 enviam os dados de carga de pixel para conversores analógico-digitais (A/D's) 130, onde o sinal analógico é convertido em uma representação digital. Estas representações digitais são então armazenadas na memória 132 aguardando transmissão para o computador 112 em um momento determinado pela lógica de controle 134. A transmissão das representações digitais pode ser realizada por um processador ou unidade de processamento central (CPU) 136.

[028] Voltando à Figura 2, um diagrama esquemático de um arranjo de píxeis 120 para uso no sistema da divulgação é mostrado. A Figura 2 é uma vista em seção transversal de uma série de píxeis adjacentes dentro do arranjo de píxeis. Na modalidade atual, o arranjo de píxeis 120 inclui uma camada de eletrodo de topo 200, uma camada fotocondutora 202, um conjunto de circuitos de leitura de pixel 204, cada circuito de leitura de pixel 204 incluindo um eletrodo de pixel 206 de fundo e um capacitor de armazenamento e circuito de leitura de pixel 208, e uma camada de substrato 210. Os eletrodos de fundo 206 podem ser vistos coletivamente como uma camada de eletrodo de fundo. Em uma modalidade, o circuito de leitura de pixel, ou circuito de pixel, pode ser incorporado na camada de substrato como é o caso dos detectores de raios-X CMOS, no entanto, eles também podem ser depositados no topo da camada de substrato como é o caso com detectores de raios-X de filme fino, por exemplo, silício amorfo, óxido de metal, semicondutores orgânicos ou polissilício. A Figura 2 fornece um diagrama esquemático do arranjo de píxeis, no entanto, o técnico no assunto entenderia como a camada de eletrodo de fundo e a camada de substrato podem ser implementadas.

[029] Embora não mostrado, camadas de bloqueio opcionais (tal como divulgado na Patente dos EUA de No. US 9269838 de Karim et al., emitida em 23 de fevereiro de 2016, incorporada aqui por referência) podem ser incluídas no detector. Por exemplo, pelo menos uma camada de poliimida, conforme discutido na Patente dos EUA de No. US 9269838, pode ser colocada adjacente às camadas de eletrodo de topo e de fundo e à camada fotossensível.

[030] Como pode ser visto na Figura 2, uma largura, ou espaçamento, de cada um dos eletrodos de fundo pode ser representada pela letra 'p'. Em uma modalidade preferencial, uma espessura 't' da camada fotocondutora 202 é pelo menos três, mas de preferência pelo menos cinco vezes maior do que o espaçamento, p, do eletrodo de fundo. Esta relação entre 'p' e 't' oferece vantagens sobre os sistemas atuais que eram anteriormente desconhecidas.

[031] Em uma modalidade específica, uma fina camada de ouro é usada para a camada de eletrodo de topo 200, a camada fotocondutora 202 é uma camada de selênio amorfo e o conjunto de, preferencialmente, alumínio, eletrodos de pixel 206 de fundo incluem um capacitor de armazenamento correspondente e circuito sensor de pixel 208 ativo CMOS incorporado em uma camada de substrato de silício cristalino 210.

[032] Em vez de ouro, a camada de eletrodo de topo 200 também pode ser alumínio, cromo, prata ou outros materiais condutores. Em uma modalidade, o arranjo de píxeis 120 pode incluir 1 milhão de tais elementos de pixel em uma configuração de matriz ativa de 1000 x 1000, embora na Figura atual, apenas quatro elementos de pixel sejam mostrados. A configuração de matriz ativa de densidade maior também pode ser contemplada. Além disso, o circuito sensor de pixel ativo pode ser substituído por circuitos alternativos de leitura de pixel incluindo, mas não limitados a, circuitos de pixel passivos ou mesmo circuitos de pixel de contagem de fótons.

[033] Alternativamente, em vez de utilizar arranjos de píxeis CMOS ou tecnologia, outras tecnologias de arranjo de transistor de alta resolução que são capazes de alcançar pequenos elementos de pixel, tais como, mas não limitante a, poli-Si, óxido de metal, transistores de película fina orgânica (TFTs) ou tecnologia de semicondutor de polissilício podem ser empregadas. Em outra modalidade alternativa, em vez de selênio amorfo, outros materiais semicondutores de detecção de radiação de buraco de elétron de grande área, tais como, mas não limitados a, perovskitas, materiais semicondutores orgânicos, CdZnTe, CdTe, HgI2, PbO, PbI ou TlBr também podem ser usados para a camada fotocondutora 202.

[034] Em uma modalidade mais específica, o espaçamento de cada circuito de pixel (ou eletrodo de fundo) é 7,8um em que o arranjo de píxeis total é um arranjo de píxeis CMOS de 1 MPixel. Na experimentação, este arranjo de píxeis específico foi integrado com camadas fotocondutoras de selênio amorfo de espessura variável (tipicamente 20um ou mais), de modo que a espessura da camada fotocondutora fosse pelo menos três vezes maior do que o espaçamento de um pixel.

[035] Através da experimentação, esta modalidade mostrou que houve imagiologia com atraso mínimo a 5 fps e superior, uma vantagem que não era conhecida anteriormente. Além disso, o uso desta modalidade alcançou altos valores de MTF se aproximando da frequência de Nyquist e excelente eficiência quântica de detecção, implicando em imagiologia com ruído quântico limitado (ver gráficos da Figura 3). Testes adicionais de diferentes relações entre 't' e 'p' também foram realizados conforme descrito abaixo.

[036] Em outros experimentos, o teste foi realizado em arranjos de píxeis CMOS com espaçamentos de píxeis de tamanhos variando de 5,5 mícrons a 25 mícrons com camadas fotocondutoras de espessura de 20 a 200 micrômetros e maiores. Em cada experimento, foi observado que havia efeitos benéficos do "efeito de campo próximo" no atraso em cada uma das modalidades testadas. Como será entendido, em cada uma dessas modalidades, a camada fotocondutora era pelo menos três, mas de preferência pelo menos cinco, vezes mais espessa do que o espaçamento do pixel para reduzir o atraso. Em modalidades em que a espessura da camada fotocondutora era cerca de 3 vezes o espaçamento do pixel, havia algum atraso (tipicamente até 3% após o primeiro quadro). Embora não seja usualmente benéfico, entende-se que para algumas aplicações, uma pequena quantidade de atraso pode ser tolerável e, como tal, o sistema da divulgação pode funcionar com uma relação de pelo menos três entre a espessura da camada fotocondutora e o espaçamento de um pixel em que o espaçamento dos píxeis são vistos como píxeis pequenos e inferiores ou iguais a cerca de 25 mícrons.

[037] Em contraste, detectores comerciais de arranjo de píxeis TFT de selênio amorfo que têm um tamanho de pixel maior (70 ou 85 mícrons) e uma camada de selênio, ou fotocondutora, espessura variando de 0,3 de 1 mm continuam a sofrer de atraso excessivo do primeiro quadro (> 5% ) e taxas de quadros baixas (<1 fps). Pode ser visto a partir desses experimentos que as vantagens do "efeito de campo próximo" das modalidades da divulgação fornecem maiores benefícios na redução de atraso e melhoria de MTF para píxeis com espaçamentos menores (25 mícrons e menores) do que para píxeis com espaçamentos maiores.

[038] A modalidade divulgada também pode ser estendida para alcançar melhores tempos de varredura e leitura, incorporando uma abordagem de grade de Frisch de captação de carga unipolar, tal como divulgado na Patente dos EUA de No US 8.129.688 emitida a 6 de março de 2012 para Karim et al. incorporada aqui por referência.

[039] Sabe-se que vários píxeis adjacentes podem juntos sofrer binning para criar artificialmente um pixel maior, que pode gerar um SNR mais alto, mesmo em baixas exposições à radiação. Binning é um método que agrega os dados de vários píxeis adjacentes em um único elemento de pixel "maior" (seja via hardware, software ou firmware) para melhorar o SNR do pixel, uma vez que o sinal aumenta linearmente enquanto o ruído, vindo de fontes independentes, aumenta em quadratura (ou seja, como uma função de raiz quadrada).

[040] No entanto, um método único de operar o detector de pixel pequeno divulgado para atingir um SNR alto, enquanto mantém tempos de leitura rápidos, envolve binning dos píxeis menores para alcançar SNR alto enquanto ainda se beneficia do 'efeito de campo próximo' para alcançar aquisição de imagem de alta velocidade com baixo atraso e alto desempenho de MTF. Aqui, os dados da imagem são adquiridos usando pequenos elementos de pixel onde a espessura da camada fotocondutora é de cerca de pelo menos 3 (mas de preferência 5) vezes o espaçamento do pixel. Uma imagem SNR alta pode ser obtida a partir de píxeis “maiores” artificialmente construídos usando elementos de píxeis que sofreram binning. Um detector de pixel maior comparável poderia atingir alto SNR, no entanto, sofreria de atraso de imagem e degradação de MTF durante o processo de aquisição de imagem, conforme observado anteriormente. Como tal, os detectores de píxeis grandes atuais não são adequados para aplicações de alta velocidade ou dinâmicas, enquanto os detectores de pequenos píxeis divulgados podem atingir uma operação de alta velocidade e alto SNR ao adquirir a imagem usando elementos de píxeis menores com o espaçamento de pixel apropriado - geometria de espessura do detector e binning dos dados posteriormente para melhorar o SNR.

[041] Para tomossíntese de mamografia ou TC de mamografia, eletrodos de pixel com um espaçamento de 25um podem ser usados com uma camada de selênio com uma espessura de 250um para permitir a aquisição rápida e contínua de dados de raios-X com perda mínima na eficiência quântica de raios- X. A fim de manter SNR e reduzir ou minimizar a dose de raios-X para o paciente, os píxeis podem sofrer binning em píxeis de 50 x 50um "maiores" ou mesmo píxeis "maiores" de 75 x 75um antes ou depois que os dados são adquiridos. Como tal, o detector desta divulgação pode ser potencialmente configurado como um detector de área, um detector de linha ou um detector de varredura de fenda para uso em mamografia de rastreamento e diagnóstico. A mesma abordagem pode ser aplicada ao rastreamento do câncer de pulmão e também à tomossíntese.

[042] Voltando à Figura 4, é mostrado um fluxograma que descreve um método de detecção de alta radiação. Inicialmente, os fótons incidentes são direcionados ao objeto a ser visualizado. Os sinais resultantes dos fótons sendo direcionados ao objeto são capturados ou adquiridos pelo sistema da divulgação (400). Como será entendido, os fótons são capturados pelos circuitos de píxeis individuais (de preferência com um espaçamento inferior ou igual a 25um) e, em seguida, transmitidos por meio de um conjunto de eletrônicos de leitura. Os fótons recebidos também podem ser vistos como dados brutos. Como será entendido, a espessura da camada fotocondutora é pelo menos três, e de preferência pelo menos cinco, vezes maior do que o espaçamento dos circuitos de píxeis individuais. Após receber os sinais de cada um dos circuitos de pixel "pequenos" individuais, esses sinais são então traduzidos em valores correspondentes (402), que são então associados a cada um dos circuitos de píxeis individuais.

[043] Os valores de píxeis adjacentes podem então sofrer binning (ou adicionados) juntos (404). O binning dos valores permite que esses píxeis menores sejam vistos como píxeis maiores. A seleção de quais píxeis sofrem binning é, de preferência, predeterminada. Por exemplo, um grupo de quatro píxeis pode ser selecionado e seus valores sofrerem binning, tal como esquematicamente mostrado na Figura 5, em que a grade 8 x 8 de píxeis pequenos (500) pode ser vista como uma grade 4 x 4 de píxeis maiores (502) depois que os valores de cada grupo predeterminado de píxeis sofreram binning Alternativamente, um par de píxeis adjacentes pode ser selecionado e seus valores sofrem binning. Como será entendido, os píxeis podem ser agrupados de várias maneiras.

[044] O binning dos valores pode ser realizado de várias maneiras, tais como, mas não limitante ao método divulgado no Pedido de Patente dos EUA de No.US 15 / 434.712, incorporado aqui por referência.

[045] Os valores que sofreram binning podem então ser transmitidos (406), tal como para um processador, de modo que uma imagem possa ser gerada (408) a partir dos valores que sofreram binning. Como será entendido, esta imagem será preferencialmente uma imagem bidimensional (2D) ou tridimensional (3D).

[046] Embora os sinais possam sofrer binning, os valores brutos para cada um dos circuitos de pixel "pequenos" individuais também podem ser transmitidos (410) após terem sido calculados em 402. Esses valores brutos podem então ser usados para quaisquer outras aplicações, tais como, mas não limitante a imagiologia de contraste de fase com base em propagação ou imagiologia de espécimes.

[047] Uma vantagem do sistema da divulgação é que, uma vez que píxeis menores são usados, os dados brutos que são recebidos podem ser usados para uma aplicação de imagiologia, enquanto o binning dos dados brutos de vários elementos de pixel permite que uma aplicação de imagiologia diferente use os valores que sofreram binning. Portanto, uma única exposição de raios-X ou fótons pode ser usada para pelo menos duas aplicações diferentes, o que significa que o paciente pode ser submetido a exposição de raios-X inferiores do que alguns sistemas atuais para obter o mesmo número de imagens.

[048] Um uso dos dados brutos pode ser para raios-X de contraste de fase para imagiologia de mama. Atualmente, a imagiologia de raios-X com contraste de fase é reconhecida como uma modalidade que pode gerar imagens de tecidos moles com alto contraste semelhante à imagem por ressonância magnética (MRI). Existem muitas abordagens para imagiologia de contraste de fase. A abordagem mais simples, no entanto, conhecida como imagiologia de raio-X de contraste de fase baseada em propagação, é limitada na aplicação apenas em laboratórios de síncrotron devido a um desafio no nível do sistema. Os detectores de raios-X de tamanho de pixel grande atualmente disponíveis requerem a colocação do detector longe do objeto para alcançar o contraste de fase necessário. No entanto, as grandes distâncias requerem fontes poderosas de raios-X e grandes exposições de raios-X ao objeto (ou paciente) para adquirir uma imagem em um período de tempo razoável. Como as fontes de raios-X de alta potência estão disponíveis apenas em síncrotrons, o raio-X de contraste de fase de propagação é limitante a apenas essas instalações.

[049] Com uma modalidade da divulgação, se um detector com elementos de pequenos píxeis (por exemplo, inferior a 10um) for usado, imagiologia de borda aprimorada usando imagem de contraste de fase com base em propagação podem ser adquiridas em distâncias muito menores, permitindo assim aquisição rápida juntamente com uma redução de dose para o objeto, que é benéfico para objetos biológicos. Uma vantagem adicional é que os dados de imagem de raios-X de contraste de fase de borda aprimorada podem ser adquiridos na mesma varredura que os dados de atenuação. Além disso, todos os dados brutos podem ser adquiridos rapidamente em tempo real com atraso e degradação de MTF mínimos ou reduzidos. Os dados que sofreram binning (tal como divulgados acima) podem ser usados para imagens de atenuação de CT tradicionais, enquanto os dados que não sofreram binning (ou brutos) fornecem a imagem de TC de raios-X de contraste de fase de borda aprimorada. Se desejado, uma exposição secundária de raios-X pode ser efetuada (depois que a tomografia computadorizada (CT) de atenuação exploratória forneceu algum contexto) para obter um conjunto adicional de SNR mais alto, contraste mais alto, imagens de borda aprimorada de contraste de fase em uma faixa selecionada de ângulos de projeção ou regiões de interesse. Além disso, o sistema da divulgação pode ser aplicado a outras aplicações, tal como micro-CT e micro-CT de contraste de fase para imagiologias industriais, veterinárias, científicas e de ciências da vida. Deve ser entendido que o detector e o método divulgados podem ser aplicados não apenas à imagiologia de raio-X de contraste de fase baseada em propagação, mas também a outros métodos de imagiologia de contraste de fase, incluindo imagiologia de contraste de fase de abertura codificada.

[050] Em outra modalidade, a divulgação também pode ser aplicada a elétrons de alta energia de imagem em aplicações de microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Como o selênio amorfo tem um número atômico e densidade mais altos em comparação com a tecnologia predominante de silício de cristal único, ele tem um poder de parada maior para elétrons, produzindo um SNR alto, mesmo para feixes de elétrons de baixa energia. Ser capaz de gerar imagens de feixes de elétrons de baixa energia (40-80 keV) pode potencialmente permitir imagiologia de alto contraste de amostras biológicas por longos períodos de tempo, algo que não é possível hoje com os detectores TEM de silício atuais. Os feixes de baixo keV são preferíveis para imagiologias porque a amostra biológica dura mais. Isso poderia ter benefícios, por exemplo, em aplicações de microscopia eletrônica criogênica (crio-EM). Os benefícios de elementos de píxeis muito pequenos para melhorar a velocidade de varredura, atraso de imagem e MTF se aplicam igualmente bem ao TEM, onde imagens de alta resolução e alto contraste são desejáveis e minimizam os tempos de varredura da amostra, especialmente para amostras biológicas, é uma obrigação.

EXPERIMENTAÇÃO

[051] Conforme discutido acima, 'efeito de campo próximo' pode potencialmente beneficiar semicondutores amorfos, melhorando o atraso e o desempenho de MTF dos detectores de radiação do modo de integração se um semicondutor for escolhido apropriadamente que sofre atraso e degradação de MTF de fontes que podem ser superadas pelo “efeito de campo próximo”. Por exemplo, no selênio amorfo, os elétrons são a fonte dominante de atraso, então se alguém se concentrar em isolar o sinal de corrente dos elétrons usando o

"efeito de campo próximo", uma melhoria no atraso pode ser potencialmente obtida.

[052] Na experimentação, o tamanho do elemento de pixel, ou espaçamento, foi reduzido para ser menos que 5 vezes a espessura da camada fotocondutora, embora ainda mantendo uma espessura de camada fotocondutora razoável. Elementos de pixel menores foram gerados pela integração de duas tecnologias: uma camada semicondutora de selênio amorfo e um arranjo de píxeis semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS). Será entendido que outros materiais podem ser contemplados. A tecnologia CMOS foi selecionada devido à sua capacidade de permitir píxeis pequenos. Isso é desafiador com arranjos de píxeis TFT de silício amorfo. Além disso, a tecnologia CMOS também tem ruído eletrônico muito baixo (na ordem de 100 elétrons), ao contrário da tecnologia TFT de silício amorfo (onde o ruído é tipicamente de 1000 elétrons), que ajuda a melhorar a relação sinal/ruído de pixel (SNR).

[053] Um desafio associado à diminuição dos tamanhos dos píxeis é que o ruído quântico se torna significativo em relação ao sinal de radiação detectado em cada pixel, reduzindo assim a relação sinal-ruído (SNR) do pixel. Para superar o problema do ruído quântico, radiação adicional é requerida para obter uma imagem legível. Tal como, detectores de raios-X de pequenos elementos de pixel são incomuns hoje porque píxeis menores têm um SNR reduzido, produzindo um dispositivo onde a necessidade de exposições adicionais para alcançar um SNR alto aumenta o potencial de danos a objetos biológicos, por exemplo, em exames de mamografia ou imagiologia de pequenos animais. Em contraste, em imagiologias industriais de micro-tomografia computadorizada (micro-CT), imagens de raios-X de maior resolução são obtidas rotineiramente, utilizando um fator de ampliação geométrica simples no posicionamento do detector de objeto e aumentando a dose de radiação, permitindo assim o uso de grandes detectores de pixel para obter imagens de alta resolução.

[054] Embora a presente divulgação tenha sido ilustrada e descrita nesta invenção com referência às modalidades preferidas e exemplos específicos das mesmas, será prontamente aparente para o técnico no assunto que outras modalidades e exemplos podem desempenhar funções semelhantes e/ou alcançar resultados semelhantes. Todas essas modalidades e exemplos equivalentes estão dentro do espírito e escopo da presente divulgação.

[055] No relatório descritivo anterior, para fins de explicação, numerosos detalhes são apresentados a fim de fornecer uma compreensão completa das modalidades. No entanto, será evidente para o técnico no assunto que estes detalhes específicos podem não ser requeridos. Em outros casos, estruturas bem conhecidas podem ser mostradas na forma de diagrama de blocos para não obscurecer o entendimento. Por exemplo, detalhes específicos não são fornecidos quanto a se os elementos das modalidades aqui descritas são implementados como uma rotina de software, circuito de hardware, firmware ou uma combinação dos mesmos.

[056] As modalidades da divulgação ou componentes da mesma podem ser fornecidas como ou representadas como um produto de programa de computador armazenado em um meio legível por máquina (também referido como um meio legível por computador, um meio legível por processador ou um meio utilizável por computador tendo um código de programa legível por computador nele incorporado). O meio legível por máquina pode ser qualquer meio tangível, não transitório adequado, incluindo meio de armazenamento magnético, óptico ou elétrico, incluindo um disquete, disco compacto de leitura apenas de memória (CD-ROM), dispositivo de memória (volátil ou não volátil), ou mecanismo de armazenamento semelhante. O meio legível por máquina pode conter vários conjuntos de instruções, sequências de código, informações de configuração ou outros dados que, quando executados, fazem com que um processador ou controlador execute etapas em um método de acordo com uma modalidade da divulgação.

Os técnicos no assunto apreciarão que outras instruções e operações necessárias para implementar as implementações descritas também podem ser armazenadas no meio legível por máquina.

As instruções armazenadas no meio legível por máquina podem ser executadas por um processador, controlador ou outro dispositivo de processamento adequado e podem interagir com circuitos para executar as tarefas descritas.

Claims (13)

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema para produzir imagens a partir de radiação incidente, caracterizado pelo fato de que compreende: uma camada de eletrodo de topo; uma camada fotocondutora; um conjunto de eletrodos de fundo; uma camada de substrato; e um conjunto de circuitos de pixel integrados dentro do conjunto de eletrodos de fundo; em que uma espessura da camada fotocondutora é pelo menos três vezes mais espessa do que um espaçamento de um circuito de pixel individual.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o espaçamento é inferior ou igual a cerca de 25 mícrons.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada circuito de pixel no conjunto de circuitos de pixel compreende: um capacitor de armazenamento; e um circuito de leitura de pixel.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o circuito de leitura de pixel é feito de CMOS, óxido de metal, orgânico ou tecnologia de semicondutor de polissilício.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada fotocondutora é feita de selênio amorfo, perovskitas, semicondutor orgânico, HgI2, PbO, PbI ou TlBr.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de eletrodo de topo é uma camada de alumínio, ouro, cromo ou prata.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um do conjunto de eletrodos de fundo é um eletrodo de fundo de alumínio.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o circuito de leitura de pixel é um sensor de pixel ativo, um sensor de pixel passivo ou um circuito de pixel de contagem de fótons.

9. Método de imagiologia de alta velocidade, caracterizado pelo fato de que compreende: captação, por meio de um detector tendo um conjunto de circuitos de pixel com um tamanho de espaçamento inferior ou igual a 25 mícrons e uma camada fotocondutora com uma espessura pelo menos três vezes maior do que o tamanho de espaçamento, um conjunto de sinais de radiação recebidos; e traduzir os sinais de radiação recebidos em valores correspondentes para cada um dos conjuntos de circuitos de pixel.

10. Método da reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente binning dos valores correspondentes de agrupamentos predeterminados de circuitos de pixel.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: transmitir os valores que sofreram binning para um processador.

12. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: transmitir os valores correspondentes para um processador.

13. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a camada fotocondutora tem uma espessura de pelo menos cinco vezes o espaçamento do pixel.