CN100553302C - 用于x射线系统的数字图像收集器 - Google Patents

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Abstract

一种数字X射线系统，用于通过最大化响应于X射线碰撞从增感屏发射的光线的收集，捕获高质量的图像。该数字X射线系统包括壳体，具有用于接收所发射X射线的荧光增感屏；两个反射器，用于最大化光线收集，并最优化从增感屏开始的光路；以及透镜组。CCD芯片接收来自透镜组的光线，以提供数字图像，用于由计算机立即板上处理或后处理。壳体是紧凑的，并且可用作传统胶片暗盒的直接替换，无需对系统进行大的改动。透镜组包括形式自由的匹配透镜，用来去除光学失真；壳体包括光传感器，用于提供曝光测量和反馈。系统设计为准单色的，以在增感屏的整个区域上保持一致的图像质量。

Description

用于X射线系统的数字图像收集器
技术领域
本发明主要涉及数字X射线系统。特别是，本发明涉及用于数字X射线系统的光收集装置。
背景技术
X射线系统通常用于医疗用途，提供组织和骨骼的免侵入可视化鉴定(intrusive-free visual assessment)。这种系统通常设置在医院、诊所、甚至兽医诊所中，帮助医生诊断他们患者的病情。
传统的X射线系统使用向增感屏(intensifying screen)(也叫做磷屏或荧光屏)曝光的胶片。这种屏幕将到达屏幕的高能光子(X射线)转换为低能光子(典型地如可见光)，然后该低能光子将曝光的对象印到胶片上。接着用例如光台(light table)的适当背光源使胶片显影并随后可见。这一过程是众所周知的，且已有上百年时间进行改进，并且能够提供高分辨率的图像。
图1中示出了传统工作台X射线系统。这种特定类型的X射线系统通常在兽医诊所中使用。X射线系统10包括带有工作面14的工作台12，该工作面14由电木或者胶木制成。工作面14下侧上安装可拆卸胶片暗盒/暗匣16，该暗盒/暗匣通过支撑臂20物理连接到X射线发射器18。胶片暗盒/暗匣16包括接近工作面14下侧的增感屏，以及在屏幕下方的胶片，用于俘获从增感屏发射的光子。X射线发射器18装配有X射线管22以及准直仪，用来帮助将所发射的X射线限制在所关心的区域中。配置X射线发射器18和胶片暗盒/暗匣16，使得来自X射线发射器18的X射线总是能够到达胶片暗盒/暗匣16。在现在所示的例子中，胶片暗盒/暗匣16、X射线发射器18和支撑臂20可作为一个组合件，在图1中箭头所示的方向上，沿着工作面14滑动。这样允许操作者根据需要定位发射器/暗盒组件。发电机24典型地安装在附近的墙上或工作台12下面，给X射线发射器18供电。可选配置具有垂直安装的增感屏，发射器/暗盒组件可在垂直轴上移动，更适合于例如脊柱指压治疗者。本领域技术人员将会理解，工作面14可由便于X射线到暗盒/暗匣16的增感屏的透射的任意合适的材料制成。
图2示出了图1中所示暗盒/暗匣16的进一步细节，特别是暗盒/暗匣16的分层结构。如前所示，暗盒/暗匣16位于工作台12的工作面14下方。暗盒/暗匣16的面积大约为14×17英寸，厚度由各层结构的厚度决定。暗盒/暗匣16一般包括可选择的X射线栅25、自电离室26、增感屏28和胶片30。如图2所示，X射线32穿过放置在工作面14上面的对象(未示出)，并穿过X射线栅25和电离室26。与增感屏28相碰撞的X射线产生光线，向着胶片30发射，用于图像捕获。X射线栅25用作滤波器，用于防止从对象偏转的散射X射线34穿过增感屏28，因为这些散射的X射线会造成图像噪声，因而是不希望产生的。电离室26这一设备拦截一部分X射线，并当达到预定剂量时向操作者发送信号。电离室26包括预定区域的收集区，可以位于患者的重要器官(例如肺)的下方，确保接收到足够的X射线，以获得满意的图像。可惜的是，电离室26实际上阻挡了一些X射线32到达增感屏28，这样就需要增加发射剂量来补偿电离室26的吸收。因此，X射线的损失降低了系统的效率。
在操作中，操作者将样品放置在工作台上，并对发射器/暗盒组件定位。X射线发射器18以特定的能级(kV)、电流(mA)和以秒计的时间(s)的启动确定输送的剂量。一旦输送了需要的剂量，胶片暗盒/暗匣16就从组件上卸下，并在暗室中显影。
基于胶片的X射线系统的缺点包括胶片成本、化学显影剂成本、作为暗室的房间的专用(或者自动胶片处理机的购买)和图像的单个原版拷贝。当然，这也造成了进一步的缺陷，例如胶片和化学品的储存、使用过的胶片和化学品的适当处理、以及当需要进一步鉴定时要将单个图像副本小心地包裹并邮寄给其他专家。
随着数字成像技术和电荷耦合器件(CCD)技术的出现，自然地发展出了无胶片X射线系统，用于直接获取X射线图像，并在计算机屏幕上显示它们用于立即评定。虽然数字成像处理显著更快，并解决了基于胶片的系统固有的许多缺陷，但是在对于私人诊所的受限成本，当前可用的数字无胶片X射线系统提供的图像质量要劣于基于胶片的X射线系统或高质量系统的图像质量。
数字X射线系统中图像质量的关键因素在于，CCD传感器收集由增感屏发射的足够光线的能力。X射线胶片直接定位在增感屏的下方，因此最大化所发射光线的收集。另一方面，数字传感器必须使用将来自增感屏的光线重定向到CCD上的光学元件。为了收集来自14×17英寸增感屏的全部图像，CCD必须离开屏幕一定距离。距离是非常重要的，因为将14×17的表面重定向到CCD的小表面的光学设计的大视角。因此，在大部分光学设计中，仅收集了很少部分的光线。例如，从增感屏发射的光线只有大约2％将到达CCD。
此外，CCD的电子电路和连接到CCD的电子电路可能被穿过工作面的X射线损坏。因此，CCD电路组件必须定位在所发射的X射线的路径的外面，并且根据CCD电路的定位，需要所发射的光子的重定向。
这通常会导致CCD传感器和有关联的光学组件尺寸增加，以助于光学设计和改善系统性能，由此增加了系统的成本和尺寸。理想地，CCD传感器和它相关联的光学器件的外壳应当最小化，以便不过多地限制X射线发射器和CCD传感器组件的定位范围。例如，在兽医诊所里，X射线组件必须可沿工作面定位在任何地方。在脊柱指压治疗诊所里，患者通常站着，因此X射线组件必须可垂直地定位在任何地方。
已提出了许多设计来重定向光路和增加所收集的光量。最常用的技术包括球面透镜组合，其收集大表面上的光线并将光束集中到一个CCD芯片上。可惜的是，为了收集尽可能多的光线，就必须将透镜组定位为尽可能地接近屏幕，或者使用非常大的透镜。得到的图像失真非常严重，并且限制了这一技术的使用。此外，透镜设计使光线不能均匀分布，并且屏幕中心处收集到的光线比边缘处要多。
另一常用技术是使用许多CCD。由于覆盖每个CCD的区域较小，透镜元件能够放置得离屏幕较近，因此收集到更多的光线，并且增加了整个系统的分辨率。所得到的图像是由每个CCD产生并合并/平铺在一起的图像组合。为了重新排列图片，每个CCD与它相邻的CCD稍微重叠。但是，源图像中的任何失真都将增加将图像排列在一起的复杂性。因此需要复杂的DSP程序和CCD校准过程，以使校准问题最小化，但是可能产生不想要的伪像。当然，这样也具有增加系统成本的缺陷。
现有技术的数字X射线成像系统的另一个缺陷是，增感屏上的图像质量不一致。由于CCD放置得较接近增感屏，这样就增加了视角，因为光能在几个像素上分散，特别是在图像边缘处，所以图像的清晰度降低了。因此，即使可收集到相当大量的光线，所得图像的质量也会不一致。这种效果限制了对增感屏较小区域的高质量图像捕获。
因此，希望提供一种数字无胶片X射线成像系统，其可以最大化来自增感屏的所发射光线的收集，同时使失真和其他图像质量降低影响最小化。
发明内容
本发明的目的是消除或减轻已有数字X射线系统的缺陷。特别是，本发明的目的在于最大化所发射光线的收集，同时减小X射线成像系统的尺寸。本发明进一步的目的是使增感屏与透镜组之间的光路最大化，同时在类似的应用中维持光学设计的图像质量。
在第一方面中，本发明提供一种数字图像捕获器，用于接收X射线，并提供相应于所接收X射线的数字图像数据。该数字图像捕获器包括光发生器，用于接收X射线并用于响应于所接收的X射线来发射光线；第一平面反射器，用于反射所发射的光线；第二平面反射器，将其定位用于接收来自第一平面反射器的所发射光线，并反射所发射光线；以及快速中继(fast relay)光学系统，用于接收来自第二平面反射器的所发射光线，并用于将所发射光线聚焦到数字成像设备上，数字成像设备生成数字图像数据。
根据第一方面的实施例，光发生器可以包括光罩(light shield)，将其定位用于接收X射线和用于阻挡外部的光线；以及增感屏，与光罩相邻，用于响应于穿过光罩的X射线来发射光线。光发生器可以包括安装在光罩上的X射线栅，并且光罩可以由不透光但可透X射线的材料构成。光罩的材料可以从包括电木和碳纤维的组中选择。
根据第一方面的另一实施例，快速中继光学系统可以包括具有数字成像设备的CCD电路板以及透镜组，定位透镜组用于接收来自第二平面反射器的所发射光线，透镜将所发射光线聚焦到数字成像设备上。数字成像设备可以为CCD芯片或者CMOS传感器，CCD电路板可以包括微处理器，例如数字信号处理器，用于接收来自数字成像设备的数字图像数据，并用于根据数字图像数据执行图像处理算法。CCD电路板可以包括非易失性存储器，用于存储成像设备校准数据，该数据可以包括像素增益系数、像素暗噪声数据、坏像素映射数据和失真数据中至少之一。透镜组可以是准单色的，并且包括球面和非球面透镜的组合。透镜组包括覆盖有2腔带通滤波器的一个透镜，该滤波器由SiO2和ZrO2制成，以滤除小于约530nm和大于约570nm波长的光线。
在这方面的又一实施例中，数字图像捕获器进一步包括连接到数字成像设备的至少一个光传感器，其中该至少一个光传感器包括匹配透镜，用于接收来自增感屏特定区域的所发射光线。第一平面反射器和第二平面反射器可以收容在成像室中，使得第一平面反射器位于成像室底部，而第二平面反射器接近成像室的顶角。此外，第一平面反射器相对于成像室底面呈小于45度的角度。调节装置连接到第一平面反射器、第二平面反射器和透镜组，用于最优化在第一平面反射器、第二平面反射器与透镜组之间的准直。
在第二方面中，本发明提供一种用于X射线数字图像捕获器的自动曝光测量系统。X射线数字图像捕获器响应于所接收的X射线，从增感屏发射光线。自动曝光测量系统包括光传感器、微处理器和数字成像设备。光传感器接收所发射的光线，并提供相应于所接收光线等级的信号。微处理器存储预定图像曝光参数用于接收信号，并将所接收光线的等级与预定图像曝光参数进行比较。数字成像设备接收所发射的光线，并可由微处理器控制，从而当所接收光线的等级达到预定图像曝光参数时，生成数字图像数据。
在本发明的实施例中，自动曝光测量系统进一步包括连接到微处理器的附加光传感器。每个光传感器可以包括匹配透镜，用于接收来自增感屏特定区域的所发射光线，并且微处理器可以存储多个预定图像曝光参数，每个参数对应于一个期望的图像类型。
根据第三方面，本发明提供一种用于获得材料图像的X射线系统。该X射线系统包括工作面、X射线发射器、数字图像捕获器、计算机和监视器。工作面具有用于放置材料的一侧。X射线发射器可滑动地安装在工作面上，用于向着支撑材料的工作面区域发射X射线。数字图像捕获器连接到X射线发射器，并位于工作面的相对侧上。数字图像捕获器提供相应于穿过材料的X射线的数字图像数据。计算机接收并存储数字图像数据。计算机提供相应于数字图像数据的可视图像。监视器显示由计算机提供的可视图像。
在第三方面的实施例中，数字图像捕获器可以包括光发生器，用于接收X射线，并用于响应于所接收的X射线来发射光线；第一平面反射器，用于反射所发射光线；第二平面反射器，将其定位用于接收来自第一平面反射器的所发射光线，并反射所发射光线；以及快速中继光学系统，用于接收来自第二平面反射器的所发射光线，并用于将所发射光线聚焦到数字成像设备上。数字成像设备生成数字图像数据。
一旦结合附图仔细阅读本发明特定实施例的以下描述，本领域普通技术人员将会看到本发明的其他方面和特征。
附图说明
现在将参考附图，仅以实例方式，描述本发明的实施例，附图中：
图1示出了现有技术中传统的工作台X射线系统；
图2是图1中所示传统系统中使用的胶片暗盒的图示；
图3是根据本发明实施例的数字X射线成像系统的框图；
图4是根据本发明实施例，图3的X射线成像系统中使用的数字图像捕获器的图示；
图5是图4中数字图像捕获器的顶视图；
图6是光波长相对能量的光谱图；以及
图7是根据本发明实施例捕获图像的方法的流程图。
具体实施方式
总的来说，本发明提供一种数字X射线系统，用于通过最大化响应于X射线碰撞来自增感屏的所发射光线的收集，捕获高质量的图像。该数字X射线系统包括壳体，具有用于接收所发射的X射线的增感屏；以及两个平面反射器的组合，用于最优化在增感屏与透镜组之间的光路。CCD芯片接收来自透镜组的光线，以提供数字图像，用于由计算机立即板上处理或后处理。壳体结构紧凑，并且可用作传统胶片暗盒的直接替换，而不需要对系统进行大的改动。透镜组包括任意的匹配透镜，用于去除任何光学失真，以及壳体包括光传感器，用于提供曝光测量和反馈。系统设计为准单色的，以维持增感屏整个区域上一致的图像质量。
图3示出了根据本发明实施例的数字X射线系统。本发明的这一特定实施例在之前图1所示的X射线工作台应用中图示了。工作台X射线系统100与图1所示的系统类似，因此相同的参考标记表示之前针对图1中系统已描述过的相同组件。但是，根据本发明的实施例，图1中的胶片暗盒/暗匣16现在用数字X射线系统所代替。数字X射线系统包括安装在工作面14下方的数字图像捕获器102、用于向数字图像捕获器102供电的电源104、通过TCP/IP快速以太网连接连接到数字图像捕获器102的计算机106、以及监视器108。数字图像捕获器102可与X射线发射器18一起沿着工作面14滑动，并且包括用于聚集光线的光学元件和用于捕获图像的数字成像设备(例如CCD芯片)。在图像捕获器102中还包括至少一个光传感器，用于当X射线发射器18打开时启动图像捕获，并用于提供用户关于有效剂量的反馈。后面将参考图4进一步详细谈论数字图像捕获器102。
一旦捕获了图像，数据将传输给计算机106，用于进一步处理和存储。通过计算机106，操作者可以控制数字图像捕获器102的各方面和设置，并组织数据库中的图像，来记录可能与图像有关的患者序号、图像捕获日期和用户备忘录。图像具有2048行、3072列的大小，16位的分辨率，所得到的图像尺寸约为12兆字节。因此，计算机106可以包括如CD写入器或DVD写入器的大容量存储设备，用于制作用于存档或传输的图像数字副本；并且计算机106可联网，用于通过电子邮件或FTP直接传送给其他医师进行鉴定。一个监视器108可以定位为接近操作者，用于即时观察并分析所捕获的图像；而另一个监视器108可以定位在不同位置，用于管理和诊断的目的。本实施例中，显示出一个计算机106连接到一个数字图像捕获器102，但是，多个数字图像捕获器102也可以由同一个计算机106控制，因为可以对每个数字图像捕获器102分别寻址。可替换地，多个计算机也可连接到单个数字图像捕获器102。
当然，如果需要任意图像的硬拷贝，可将高质量的打印机连接到计算机106，用于随时打印图像的一个或多个副本。本领域技术人员将会理解，一旦图像数据存储到计算机106中，就可以执行图像处理算法来增强图像的可视性(view-ability)。例如，可以使用可用的商业软件包来处理图像，以将色彩加入传统的黑白图像中，使得例如肌肉、骨骼和腱的特定器官材料突出显示。
下面参考图4描述数字图像捕获器102的组件。数字图像捕获器102安装在工作面14下方，并且包括X射线栅200、光罩202、增感屏204和成像室206。元件200、202和204共同形成光发生器205。数字图像捕获器102的大小优选地限制在25×18×15英寸的体积。X射线栅200和增感屏204可以分别与图2的X射线栅25和增感屏28相同。光罩202可以由电木或碳纤维构成，但也可以由任何不透光的材料制成。电木和碳纤维较好，因为它们对X射线的高透明度。光罩202的目的是阻挡所有的外部光线进入成像室206，因为外部光线增加了图像的噪音，这样会降低图像质量。因此，成像室206将仅接收从增感屏204发射的光线。
成像室206是一个矩形的容器，大小约为18×23英寸乘以15英寸。密封成像室，以防止灰尘和过多的湿气进入壳内。成像室206负责收集和聚集最大量的来自增感屏204的所发射光线。在优选实施例中，成像室206包括两个平面反射器300和302、透镜组304以及CCD电路板306。透镜组304和CCD电路板306是快速中继光学系统的组件，用于确保印到CCD芯片上的图像可有效地避免失真和其他图像劣化。优选地，反射器300和302以及透镜组304相对于彼此如此设置，以便最大化光线在成像室206中传播的距离。
成像室206可以包括至少一个光传感器308。注意，CCD电路板306位于由栅200和成像室206底部所界定的体积的外面。这样确保电路与可能进入成像室206的任何X射线隔离。透镜组304还包括表面315上的铅皮。
如图4所示，从增感屏204发射的光线由成像室206底部附近的反射器300收集，并反射到位于成像室206左上部附近的第二反射器302上。然后，第二反射器302将光线反射进入透镜组304，随后在由安装在CCD电路板306上的CCD设备接收之前，该透镜组对光线进行校正。图5是图4中成像室206的顶视图，图示了反射器300和302相对于成像室206的x-y坐标位置。
如图5的顶视图中所示，两个光传感器308分别放置在反射器300的两侧，并位于反射光路外面。设置反射器300和反射器302的角度，使得透镜组304和CCD电路板306沿y轴定向。但是，反射器300和反射器302的角度也可设置为，使得透镜组304和CCD电路板306能够沿y-z平面中的任意方向定向。
反射器300在形状上通常是平的，但也可以是曲面的。反射器302在形状上通常是平的，但也可以是曲面的。反射器的目的是在离增感屏的最佳距离处定位CCD，同时保持图像质量。在最佳距离处，能够用较大的透镜增加光线的收集。如图5所示，由于光路的最佳距离在27与30英寸之间变化，优选实施例使用了以三维构造配置的两个反射器的组合，以在优选实施例的成像室所限定的尺寸内，将CCD定位在这样的距离处。为了有效地使用成像室内可获得的光路的最大距离，反射器300的平板位于成像室的底部中心处，并将光路重定向到成像室的顶部左后角，在那里放置反射器302。然后，反射器302将光路重定向到位于成像室顶部左边缘处的透镜组。使用两个反射器得到的3-D光路允许进行更小成像室尺寸的设计。反射器300和302二者都是模制树脂基片或玻璃面，具有铝或等效反射面涂层。特别是，通过将反射器302设置在成像室206顶部附近，反射器300可以以相对于成像室206底面呈小于45度的角度布置。这样，反射器300在z轴方向占据的空间较少，并且能够实现成像室206尺寸的减小。前面谈论的布局是3D构造的一个例子，在本发明范围内也可以实现反射器的其他3D构造。例如，透镜组304和CCD电路板306可以定位在成像室的底角，并且所成角度以便从适当角度的反射器302接收所反射光线。
本领域技术人员将会理解，随着工作距离进一步减少，图像清晰度的控制将变得更加困难。因此，由于反射器300和302独特的3D构造，在较小的成像室内可获得较长的光路，同时保持了图像质量，并能够使用大透镜。因此，能够从增感屏204捕获比现有系统更多的光线，并通过反射器300和302以及透镜组304将其反射到CCD芯片上。
透镜组304包括透镜的串联组合，用于将来自反射器302的光线校正，并聚焦到如CCD芯片的成像设备上。在优选实施例中，透镜组304包括九个塑料和玻璃透镜，其中所选透镜可以是非球面或球面形状。所设计的透镜具有特定的形状，该形状优选地与由反射器组合产生的光路匹配，用于校正的视野。为了使质量和成本最佳化，球面透镜优选地由玻璃或塑料制成，而非球面透镜由塑料制成。可以最优化透镜尺寸，从而最大化光线收集。其他的设计可以包括少至5个透镜到多至15个透镜。
一般来说，透镜组执行标准光学校正。特别是，由反射器300和302造成的光路中的失真，将由透镜组304内的透镜完全校正。球面、线性和色彩失真可以使用适当的校正透镜进行校正。此外，透镜组304内的透镜具有用于光学像差校正的最佳形状，该像差包括同轴和离轴像差。优选地，设计透镜组304，使得增感屏204的尺寸最佳匹配于电路板306上CCD芯片的尺寸。虽然CCD传感器阵列尺寸可能不完全与增感屏204的尺寸匹配，但是可以对透镜组304进行调整，使得呈现给CCD芯片的最终图像的图像缩小率匹配于CCD传感器阵列的x和y尺寸。
根据本发明的实施例，透镜组304可以是准单色的，意味着只有特定波长的光线才由CCD芯片接收。现有技术的系统试图提供最大量的光线给CCD芯片，而准单色系统实际上限制了给CCD芯片的光量。
图6显示了那些与数字X射线图像捕获最相关的光线波长的波长谱。波长i到v代表可用光能的88％，其中i代表425nm至475nm的范围，ii代表480nm至510nm的范围，iii代表530nm至570nm的范围，iv代表580nm至610nm的范围，以及v代表615nm至630nm的范围。波长i、ii、iv和v的作用很小，并且最终在增感屏边缘处太多的像素上变得分散。因此，不能有效地控制图像清晰度，造成了图像质量下降。但是，通过将光线限制到波长iii，可在增感屏的整个区域上较容易地控制图像清晰度。例如，屏幕中央的图像清晰度已证明小于1个像素宽度，而屏幕边缘处的图像清晰度已证明为1.25像素宽度。因此，光点尺寸(图像清晰度的度量)始终与CCD像素大小类似。尽管由CCD芯片接收的光线降低了等级，但是增感屏整个区域上一致的光点尺寸，使得在整个图像区域上获得了更清晰的图像。
为了将光线限制在单一波长范围，可将2腔带通滤波器涂层施加到透镜组304的任意透镜的表面。在优选实施例中，带通滤波器由薄绝缘层制成，使用例如二氧化硅(SiO2)和二氧化锆(ZrO2)的材料。如图6所示，带通滤波器仅能透过530至570纳米的波长，其包括增感屏的主光线峰的光子。其他峰的那些光子将由带通滤波器滤出。主峰代表由增感屏发射的总光能的55％。作为优选实施例的替换，可以使用不同材料、或不同带宽、或不同腔数的带通滤波器。
CCD电路板306可以包括所安装CCD芯片基本功能所需的标准组件，但是也可以进一步包括附加的处理电路，如微处理器，特别是数字信号处理器(DSP)，用于执行图像处理算法。标准图像处理算法可以包括例如噪声抑制、平场处理、坏像素补偿和失真校正。这种标准成像处理算法在数字成像领域中是已知的；还可以需要CCD芯片的校准，以产生校准数据，例如用于平场处理校准的像素增益系数、数字图像数据的像素不均匀性和渐晕补偿。暗噪声数据可用于数字图像数据的热噪声补偿，坏像素映射数据可用于数字图像数据的坏像素补偿，并且失真数据可用于数字图像数据的失真校正。尽管这些数据可以存储在计算机中，CCD电路板306还可以包括非易失性存储器，例如闪存，用于存储数据。因此，在组装期间，每个数字图像捕获器102将预优化，并对操作者公开地执行标准图像处理算法。闪存还可以存储由DSP或微处理器报告的异常或问题的错误日志，用于在诊断检查期间进行访问。
CCD电路板306的其他组件可以包括：
●风扇，用于冷却电路
●温控传感器，用于监视电路温度
●16位A/D转换器，用于将CCD像素值转换为数字形式
●64MB或RAM
●快速以太网接口，用于允许与计算机106的信息和图像交换
●RS-232串行端口，用于配置和调试目的
●NTSC/PAL视频端口，用于低分辨率图像显示
●PhotoMOS继电器(38VDC，2A)，用于测试
●控制逻辑电路
根据现在的优选实施例，可以由CCD电路板306执行图7的方法，用于捕获图像。在步骤400，CCD电路板306保持在备用模式中，并且没有捕获图像。在步骤402，已开始X射线曝光，并且用于捕获X射线图像的处理开始。当光传感器308检测到光线时，CCD芯片开始电荷积聚。在步骤404，确定电荷收集是否要终止。这可以根据可配置的曝光时间或基于X射线曝光持续时间来确定。如果预定曝光时间还没有达到并且光传感器仍然检测光线，则该方法跳回到步骤402。如果已经达到了预定曝光时间，或者光传感器已经停止检测光线，那么在步骤406，图像从CCD传送到DSP。然后在步骤408，执行可选择的暗图像例程，除了没有X射线发射之外，以同样的曝光时间，重复步骤402至406。在步骤410，从之前收集的图像中减去暗图像，以提供净预处理图像，然后在步骤412，将其传送到计算机106。一旦计算机106接收了之后，就可以对该预处理图像进行各种后处理算法。
除了标准图像处理算法之外，还可以包括特定图像处理算法。例如，可以处理原始数据图像以可视地加亮操作者想看的特定组织。可以处理图像以通过调整清晰度、对比度和亮度来提高可视性。可通过已知技术中的色化处理来增加图像可视性。当然，本领域技术人员将会理解，有许多类型的图像处理技术可以应用到数字捕获的图像中。DSP或微处理器可以配置用来接收来自光传感器308的反馈，以便控制/优化图像捕获处理。例如，来自光传感器308的信号可以确定要应用的特定图像处理算法，以便最优化图像的可视性。如后面将谈论的，光传感器308可用来启动和结束图像捕获处理。
尽管CCD电路板306通过通信电缆连接到计算机，用于通信的替代方法还可以包括根据例如Bluetooth和WiFi的已知标准的无线传输。本领域的技术人员将会理解，CCD电路板306可以设计为包括适当的收发两用电路，以能够与计算机无线通信。CCD电路板可以包括附加的存储器，用于在传送给计算机之前，提供图像的临时存储。在一段时间内捕获多个图像的应用中，这种存储器非常有用。
虽然未显示在附图中，但反射器300和302、透镜组304和CCD电路板306安装在支撑框架上，该支撑框架固定在成像室206上。尽管支撑框架提供元件间的一般校正，还可并入附加的调整装置，以提供精细调整校正。在替换实施例中，精细调整装置可以包括手动调整组件，或者在维修检查期间可控制其进行自动调整的耐X射线的机电元件。在自动调整实施例中，可以对由CCD芯片传感器阵列接收的光线强度或位置进行调整校准。
光传感器308可以为任意商业可获得的设备(光电二极管、光电晶体管，或其他设备)，安装在成像室内，并处于由反射器300和302所反射光路的外面。光传感器308优选地连接到CCD电路板306，特别是连接到DSP或微处理器，用于响应从光传感器308接收的信号执行算法。光传感器308的基本应用是自动启动CCD芯片，以开始图像捕获。另一个应用是通过将光传感器308与匹配透镜相连接，并安排其收集来自增感屏204特定区域的光线，进行自动曝光测量。与拦截X射线的电离室不同，光传感器308不会影响X射线或者由反射器300接收的光线，从而不会降低光收集效率。例如，光传感器和匹配透镜可安排为仅收集来自适当定位的患者的肺部区域的光线。通过适当校准光传感器308，一旦已接收了足够量的光线，微处理器可以自动终止图像捕获，并向操作者发出通知，停止X射线发射。然后，可以生成图像数据，并将其传送到微处理器，用于进行图像处理。
更特别地，可以对微处理器编程，以存储例如光线等级阈值的预定图像曝光参数，并监视适当的光传感器308。光传感器308向微处理器提供代表所接收光线等级的信号。当所接收的光线等级达到预定阈值时，微处理器指示CCD芯片终止图像捕获操作，并发送图像数据。因此，可以在成像室206中使用任意数量的光传感器308。
可以使用光传感器308实现先进的操作。这种操作之一是从单个时间段捕获多个图像。特别是，由于不同的组织类型以其特定的X射线剂量可更好地成像，因此在一段时间内，患者可以经受预定剂量，同时可以在不同的时间捕获几个图像。例如，当达到光线的预定阈值时，可以控制CCD芯片捕获图像。可以校准每个预定阈值，以对应于有效加亮特定组织的特定剂量。因此在单个时间段内，可以获得加亮特定组织的多个图像。而在基于胶片的系统中，为了获得不同的图像，患者必须经历多次照射时间。
另一个先进的操作是向操作者或者系统提供有关剂量的反馈，并计算剂量应当调整的量，以便获得最佳图像。例如，可以收集与相应于特定剂量的光强度相关的校准数据，并在制造时将该数据存储在微处理器的存储器中。操作期间，管理剂量，并且光传感器308可向微处理器提供反馈，用于计算适当的剂量调整，以便获得最佳图像。本领域技术人员将会理解，如何通过由微处理器执行的简单计算或者建模算法，外推或内插剂量调整等级。最佳图像可以依赖于感兴趣的组织类型、亮度级和/或对比度级。当然，用来对照比较一段时间内剂量的阈值也可在微处理器中预编程。
可以使用任意合适的方法，在成像室206中固定光传感器308和相应匹配透镜。例如，多个光传感器308可安装在刚性板上，带有与每个相应光传感器308对准的集成匹配透镜的塑料片可以覆盖在该板的顶部。购买、制造和组装这些组件都是便宜的。
总之，在紧凑的组装中，之前所描述的组件一起合作，以产生高质量的数字图像。反射器300和302的3D构造使光路长度最大化，这样可以允许对反射器300和302灵活安排，并可以在透镜组304内使用较大的透镜。如前面所谈论的，透镜组304内的透镜具有用于光学像差校正的最佳形状，该像差包括同轴和离轴像差。透镜组将所应用的光限定在特定波长范围，并应用光学修正来提供更清晰的图像；并且通过一个或多个光传感器进行自动曝光测量反馈，由于使图像捕获处理自动化，提高了效率。
因此，根据本发明实施例的数字图像捕获器102可以用低很多的成本获得具有与现有数字X射线系统相同质量或更好质量的数字图像。由于它相当紧凑的尺寸，数字图像捕获器102可以很容易地用作现有基于胶片的X射线机器的改型，诊所或者医院不需进行昂贵的系统更换。此外，由于多数诊所采用计算机将患者信息存储在数据库中，并且现有计算机能够安装适当的应用程序和软件来与数字图像捕获器102通信，因此无需增加计算机。如前所述，图像处理算法可以与安装的软件集成，并且可以根据需要升级。此外，计算机可以包括软件，用于执行对系统的诊断检验。
虽然描述了使用CCD成像芯片的本实施例，但是也可使用例如CMOS图像传感器的可选数字成像设备获得相同效果。
现在描述的实施例可以通过适当的修改就应用到其他应用中，这是本领域技术人员知道的。这些应用例如可以包括微电子检查、合成材料测定、焊接铸造检查、航空航天产品测试、为了内容确认对包裹的检查(在确保包裹运输时)、为安全目的对包裹的检查、机场对行李的检查和食品检查。
本发明的上述实施例仅是示范性的目的。在不脱离仅由所附权利要求书所限定的本发明的范围的前提下，本领域技术人员可以对特定实施例进行替换、修改和变型。

Claims (26)

1.一种数字图像捕获器，用于接收X射线，并提供相应于所接收X射线的数字图像数据，该数字图像捕获器包括：
光线发生器，用于接收X射线，并用于响应于所接收X射线来发射光线；
第一平面反射器，用于反射所发射光线；
第二平面反射器，被定位用来接收来自该第一平面反射器的所发射光线，并反射所发射光线，该第一和第二平面反射器以三维构造定向，用于沿三维路径反射所发射光线；以及
快速中继光学系统，用于接收来自该第二平面反射器的所发射光线，并用于将所发射光线聚焦到数字成像设备上，该数字成像设备生成该数字图像数据。
2.如权利要求1所述的数字图像捕获器，其中，该光线发生器包括：
光罩，被定位用来接收X射线，并用于阻挡外部光线；
增感屏，与该光罩相邻，用于响应于穿过该光罩的X射线发射光线。
3.如权利要求2所述的数字图像捕获器，其中，该光线发生器进一步包括安装于光罩上的X射线栅。
4.如权利要求2所述的数字图像捕获器，其中，该光罩由不透光但可透X射线的材料构成。
5.如权利要求4所述的数字图像捕获器，其中，该材料选自包括电木和碳纤维的组。
6.如权利要求1所述的数字图像捕获器，其中，该快速中继光学系统包括：
CCD电路板，具有该数字成像设备，以及
透镜组，被定位用来接收来自该第二平面反射器的所发射光线，该透镜组将所发射光线聚焦到该数字成像设备上。
7.如权利要求6所述的数字图像捕获器，其中，透镜组包括球面和非球面透镜的组合。
8.如权利要求6所述的数字图像捕获器，其中，该透镜组是准单色的。
9.如权利要求8所述的数字图像捕获器，其中，该透镜组滤除小于约530nm和大于约570nm波长的光线。
10.如权利要求8所述的数字图像捕获器，其中，该透镜组中的透镜之一覆盖有由SiO2和ZrO2制成的2腔带通滤波器。
11.如权利要求1所述的数字图像捕获器，进一步包括连接到该数字成像设备的至少一个光传感器，该至少一个光传感器用于提供曝光测量和反馈。
12.如权利要求11所述的数字图像捕获器，其中，该至少一个光传感器包括匹配透镜，用于接收来自增感屏特定区域的所发射光线。
13.如权利要求1所述的数字图像捕获器，其中，该第一平面反射器和该第二平面反射器放置在成像室中。
14.如权利要求13所述的数字图像捕获器，其中，该第一平面反射器位于该成像室的底部，并且该第二平面反射器位于接近该成像室的顶角。
15.如权利要求13所述的数字图像捕获器，其中，该第一平面反射器相对于该成像室的底面呈小于45度的角度。
16.如权利要求6所述的数字图像捕获器，进一步包括连接到该第一平面反射器、该第二平面反射器和该透镜组的调整装置，用于最优化该第一平面反射器、该第二平面反射器和该透镜组之间的校正。
17.如权利要求6所述的数字图像捕获器，其中，该数字成像设备包括CCD芯片或CMOS传感器中的一个。
18.如权利要求6所述的数字图像捕获器，其中，该CCD电路板包括微处理器，用于接收来自该数字成像设备的数字图像数据，并用于对该数字图像数据执行图像处理算法。
19.如权利要求6所述的数字图像捕获器，其中，该CCD电路板包括非易失性存储器，用于存储成像设备校准数据。
20.如权利要求19所述的数字图像捕获器，其中，该校准数据包括像素增益系数、像素暗噪声数据、坏像素映射数据和失真数据中至少之一。
21.如权利要求18所述的数字图像捕获器，其中，该微处理器包括数字信号处理器。
22.一种用于X射线数字图像捕获器的自动曝光测量系统，该数字图像捕获器具有光线发生器，用于接收X射线，并用于响应于所接收X射线来发射光线；第一平面反射器，用于反射所发射光线；第二平面反射器，被定位用来接收来自该第一平面反射器的所发射光线，并反射所发射光线，该第一和第二平面反射器以三维构造定向，用于沿三维路径反射所发射光线；以及快速中继光学系统，用于接收来自该第二平面反射器的所发射光线，并用于将所发射光线聚焦到数字成像设备上，该数字成像设备生成该数字图像数据，该X射线数字图像捕获器响应于所接收X射线从增感屏发射光线，该自动曝光测量系统包括：
光传感器，用于接收所发射光线，该光传感器提供相应于所接收光线的等级的信号；
微处理器，存储预定图像曝光参数，用于接收信号，并用于将所接收光线的等级与预定图像曝光参数进行比较；以及
数字成像设备，用于接收所发射光线，该数字成像设备由该微处理器控制，用于当所接收光线的等级达到该预定图像曝光参数时，生成数字图像数据。
23.如权利要求22所述的自动曝光测量系统，进一步包括连接到该微处理器的附加光传感器，该附加光传感器用于向该微处理器提供对应于所接收光线的等级的信号。
24.如权利要求22所述的自动曝光测量系统，其中，每个光传感器包括匹配透镜，用于接收来自增感屏特定区域的所发射光线。
25.如权利要求22所述的自动曝光测量系统，其中，该微处理器存储多个预定图像曝光参数，每个参数相应于期望的图像类型。
26.一种用于获得材料图像的X射线系统，包括：
工作面，具有用来放置该材料的一侧；
X射线发射器，可滑动地安装在该工作面上，用于朝着支撑该材料的工作面区域发射X射线；
数字图像捕获器，用于接收X射线，并提供相应于所接收X射线的数字图像数据，该数字图像捕获器包括光线发生器，用于接收X射线，并用于响应于所接收X射线来发射光线；第一平面反射器，用于反射所发射光线；第二平面反射器，被定位用来接收来自该第一平面反射器的所发射光线，并反射所发射光线，该第一和第二平面反射器以三维构造定向，用于沿三维路径反射所发射光线；以及快速中继光学系统，用于接收来自该第二平面反射器的所发射光线，并用于将所发射光线聚焦到数字成像设备上，该数字成像设备生成该数字图像数据，该数字图像捕获器连接到该X射线发射器，并位于该工作面的相对侧上，该数字图像捕获器提供相应于穿过该材料的该X射线的数字图像数据；
计算机，用于接收和存储该数字图像数据，该计算机提供相应于该数字图像数据的可视图像；以及
监视器，用于显示该可视图像。
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